人工智能在血细胞检验结果自动审核中的应用研究

作者:孟静 秦祥荣 公衍文
作者单位:山东大学第二医院检验医学中心 2022-09-21

公衍文主任技师,山东大学第二医院检验医学中心副主任。社会兼职:国家认可委(CNAS)ISO 15189主任评审员,中华医学会检验医学分会微生物学组委员,中国中西医结合学会检验医学专委会实验室管理专家委员会常务委员,山东省医学会检验医学分会微生物学组副组长,山东省研究型医院协会临床微生物学分会副主委,山东省预防医学会医学检验与疾病预防分会副主委,山东省免疫学会感染免疫专业委员会常务委员。研究方向:实验室全面质量管理和病原微生物快速检测。


孟静,山东大学第二医院检验医学中心副主任技师,兼任山东省老年医学会检验专委会副主任委员等职务。承担省级和市级科研课题2项,迄今在国内外杂志发表论文十余篇,参与编写人民卫生出版社《医院医疗质量标准化管理手册》。



【摘要】目的 建立和验证急诊检验血细胞分析自动审核规则,缩短检验中周转时间,提高急诊检验工作效率。方法 参照CLSI AUTO 10A和WS/T 616-2018临床实验室定量检验结果的自动审核方法,结合本实验室的工作特点和仪器的特点建立本实验室的血细胞分析自动审核规则。连续收集300例迈瑞BC7500[NR]CRP血液分析仪检测标本,均进行自动推片染色用于自动审核规则性能评估。参照CLSI H20-A2的镜检方法,由本室2名经形态学考核合格的技术人员对所有样本进行镜检,进行假阴性(漏检率)、假阳性、真阴性、真阳性的评价,要求假阴性(漏检率)<5%。对山东大学第二医院检验医学中心2021年10月1日至2021年12月31日所有临床15320例标本进行验证,分析自动审核通过率、自动审核通过与人工审核通过符合率、规则阳性率。统计比较自动审核前后标本量相近的月份血细胞分析检验中周转时间(TAT)的变化。结果 (1)本实验室血细胞自动审核规则涉及室内质控判断、标本质量判断、危急值判断、参数范围和报警信息判断、差值判断、一致性判断、逻辑关系判断、特殊患者8大类35条规则。(2)性能评估包括假阴性(漏检率)、假阳性、真阴性、真阳性、自动审核通过率、验证正确率,其中假阴性和验证正确率是最重要的评估性能指标。显微镜检查验证300例样本,其假阴性为3.6%,假阳性为11.8%,真阴性为96.0%,真阳性为89.3%。验证3个月时15320例标本的自动审核通过率为63.56%,自动审核通过与人工审核符合率为100%。(3)应用自动审核规则前后,检验报告时间TAT中位数平均缩短25.1%,TAT90分位数平均缩短11.2%。结论 血细胞分析自动审核规则的建立和验证需要在文件指导下有序进行,建立合理有效的自动审核规则需要结合本实验室仪器的特点进行个性化规范化设置,验证通过后方可使用。


【关键词】人工智能;血细胞分析;自动审核


自动化审核作为人工智能(Artificial Intelligence,AI)在检验数据处理领域的应用已经在国内经历了十多年的发展历程,作为一种更加系统化和标准化的错误识别方法,最大限度地减少了由于检验技师经验不足、压力、环境等因素而导致的错误审核,既缩短了标本的周转时间,又提高了医患满意度和实验室的标本检测容量[1]。血常规检查作为常规筛查检验项目,在感染性疾病、血液系统等疾病的诊断和鉴别中发挥重要作用,检验内容包括血细胞计数和血细胞形态学检查两个方面。血细胞分析检验结果自动审核,因其不仅仅涉及血细胞数量变化还涉及形态学异常,自动审核的规则元素较单纯数量变化的检验项目而言,相对更复杂。多篇文献[2-4]建议应结合实验室实际情况制定自动审核规则,原则是在提高工作效率和检验质量的基础上不要漏检血液病。本实验室使用迈瑞BC7500[NR]CRP血液分析仪进行检测,目前未查阅到该仪器相关的自动审核规则报道,本研究对我们实施血细胞分析自动审核规则的流程和方法进行分享。


一、研究对象与方法


(一)研究对象


1. 检测标本:所有用于自动审核规则制定及自动审核系统验证的标本均取自山东大学第二医院检验医学中心2021年10月1日至2021年12月31日急诊患者,乙二胺四乙酸二钾抗凝标本。自动审核规则的建立连续收集300例标本,自动审核规则验证共15320例标本。所有标本按照标本检测流程及仪器使用说明书要求进行检测。


2. 仪器与试剂:采用迈瑞BC7500[NR]CRP血液分析仪进行检测,血液分析仪至少6个月进行1次校准、性能验证(正确度、精密度、携带污染、线性及可报告范围)及仪器间比对。应用配套试剂,包括校准品、质控品等;所有试剂批号更换时均通过了试剂批号更换验证。每日实验室室内质控在控,如失控确认失控纠正。


3. 中间软件:深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司开发LabXpert专家系统软件是连接仪器与检验信息LIS系统的中间软件。LabXpert专家系统对不能通过自动审核条件的标本进行标识后,传输给检验信息LIS系统。标识的内容包括“Auto Validation OK通过”、“Review待人工审核”、“Microscopic镜检”、“Re-exam重测”4个方面。


4. 实验室信息系统(LIS):采用上海杏和软件有限公司的实验室信息系统软件,版本号5.0。


(二)研究方法


1. 流程的绘制:(1)程序文件化,主任批准。参照国际CLSI AUTO 10A文件和国内《临床实验室定量检验结果的自动审核WS/T 616-2018》文件,结合本实验室的工作特点和迈瑞BC7500[NR]CRP血液分析检测系统的特点建立本实验室的《血细胞分析自动审核规则建立及验证标准操作规程(SOP)》及血细胞分析自动审核流程图(图1)。(2)记录表格的建立:根据自动审核规则的内容建立本实验室血细胞分析验证记录表。对触犯的规则及复检信息(包括显微镜检查内容)进行记录。


2. 自动审核规则草案的制定:(1)血液分析自动审核规则草案:参照国际血液学复检专家组制定的41条复检规则、血液分析仪的报警提示、上海瑞金医院王剑飚老师的文献“血细胞分析系统自动审核规则建立与确认”及本科实际工作经验制定出了血液分析的自动审核规则草案。自动审核规则包括室内质控判断、标本质量判断、危急值判断、参数范围和报警信息判断、差值判断、一致性判断、逻辑关系判断、特殊患者8大类35条规则。表1中列出了不能通过自动审核的条件,仪器样本检测结果违反表中的任何一条或多条规则为阳性。(2)联合CRP等检测项目的自动审核规则:增加报告完整性判断、申请项目与检验结果一致性判断,由LIS执行。


3. 自动审核规则的性能评价:(1)选取300例标本进行自动审核规则的性能评估:300份用于性能评估的样本经血液分析仪检测后均进行自动推片染色,参照CLSI H20-A2的镜检方法,由本室2名经形态学考核合格的技术人员对所有样本进行镜检。评价内容包括假阴性(漏检率)、假阳性、真阴性、真阳性。真阳性定义为拦截阳性报告,真阴性定义为通过正确报告,假阳性定义为拦截正确报告,假阴性定义通过了阳性报告,其中假阴性是最重要的评估性能。表2显示显微镜检查(金标准)与自动审核结果的比较。假阴性(漏检率)、假阳性、真阳性、真阴性的计算公式为:假阴性(漏检率)=未触发审核规则样本中假阴性例数/样本总例数。假阳性=假阳性样本数/样本总例数。真阳性=阳性符合样本数/样本总例数。真阴性=阴性样本数/样本总例数。(2)显微镜检查阳性标准:参照国际血液学复检专家组2005年制定的12条阳性标准,进一步具体化作为本次评估的镜检阳性标准,包括红细胞明显大小不一,红细胞大小相差一倍以上;中空淡染(指>1/2淡染区红细胞≥30%),查见任何一期的疟原虫均认为是红细胞形态学改变;血小板聚集(4个以上血小板成团为聚集)比较多见;巨大血小板≥15%;存在杜勒小体;中毒颗粒中性粒细胞≥10%;空泡变性粒细胞≥10%;原始细胞≥1个;早/中幼阶段细胞≥1个;晚幼阶段细胞>2个;异型淋巴细胞≥5个;有核红细胞(NRBC)≥1个,浆细胞≥1个。(3)仪器阳性标准:样本结果没有通过自动审核的均为阳性。


4. 自动审核规则的验证:对2021年10月1日至2021年12月31日的所有临床15320例标本进行验证,LabXpert专家系统分析自动审核通过率、规则阳性率(表1),自动审核通过与人工审核通过符合率由人工完成。统计自动审核前后标本量相近月份的血细胞分析检验中周转时间,比较检验中周转时间(TAT)的变化(图2)。


计算公式为:


通过率=未触发审核规则例数/样本总例数


规则阳性率=使用率×该规则通过率


5. 自动审核快速暂停功能:任何系统或检测仪器故障,或其他任何原因导致检测结果的不准确,实验室必须能立即关闭自动审核。此项功能通过LIS在规定路径完成,并且保证每个检测人员培训到位。


二、研究结果


1. 迈瑞BC7500[NR]CRP血细胞分析自动审核流程图(见图1)。


2. 我室血细胞分析的自动审核规则及其阳性率(见表1)。


表1. 血细胞分析的自动审核规则及其阳性率

类别

项目

审核拦截条件

规则相关处理措施

审核标识

阳性率(%)

样本质量判断


吸样异常

检查标本量,是否凝集

人工复核

0.1


吸样不足/样本异常

0.4


红细胞凝集

1.1

室内质控判断


失控

处理失控后审核结果

人工复核

0

危急值判断

HGB

<50g/L或>180g/L

复测,与临床医生沟通

人工复核

1.0

WBC

<2.0×109/L

镜检

0.6

PLT

<50×109/L

首次结果更换光学通道复测

镜检

1.4

类别

项目

审核拦截条件

规则相关处理措施

审核标识

阳性率(%)

仪器报警信息

白细胞分类异常报警

白细胞散点图异常

显微镜检查

镜检

0.5

WNB散点图异常

镜检

0.6

原始细胞?

镜检

2.4

异常淋巴细胞/原始细胞

镜检

3.6

异型淋巴细胞?

镜检

7.4

有核红细胞报警

有核红细胞?

镜检

0

出现有核红细胞

镜检

1.0

血小板报警

血小板聚集?

如果同时PLT<100×109/L,显微镜确认

复测

1.7

血小板直方图异常

更换光学通道复测

镜检

0.3

参数范围判断

WBC

首次2.5<WBC>30×109/L


镜检

0.7

NEU

首次<1.0×109/L或者>20×109/L

如果同时仪器报警原始细胞则显微镜检查

镜检

12.8

LYM

首次>5.0×109/L(成人)或>7.0×109/L(儿童)

如果同时仪器报警异常淋巴细胞/原始细胞则显微镜检查

镜检

2.4

MON

首次>1.5×109/L(成人)或>3.0×109/L(儿童)

如果同时仪器报警散点图异常则显微镜检查

镜检

1.9

Eos

首次>2.0×109/L

显微镜检查

镜检

0.4

Bas

首次>0.5×109/L

显微镜检查

镜检

0.2

HGB

70<HGB>200g/L(新生儿除外)

复测

复测

0.9

MCHC

300<MCHC>380g/L

检查标本是否输液侧采血、乳糜、凝集、溶血

人工复核

2.8

RDW-CV

>22

复测

复测

0.8

PLT

100<PLT>700×109/L

首次结果更换光学通道复测

镜检

3.1

NRBC%

>1%

显微镜检查

镜检

1.0

差值判断

RBC

1-3天内差值超过20%

检查标本是否乳糜、凝集、溶血

人工复核

0.22

HGB

1-3天内差值超过20%

0.36

PLT

1-3天内差值超过20%

1.11

MCV

1-3天内差值超过5%

检查标本是否输液侧采血

人工复核

0.12

逻辑关系判断

RBC*30=HGB

重测,查找原因

人工复核

0

白细胞分类百分数之和=100%

重测,查找原因

人工复核

0

特殊科室

血液科、新生儿科首诊患者

异常结果显微镜检查

镜检

0.2

一致性判断

与医嘱申请项目进行比较,识别少项、多项、错项等情况

人工复核

人工复核

0


图1. 血细胞分析自动审核流程图


3、显微镜检查与自动审核结果的比较:随机取300例标本进行显微镜检查(金标准)的对照比较,进行性能评估。假阴性(漏检率)、假阳性、真阴性、真阳性率分别为3.6%、11.8%、96.0%和89.3%。结果见表2。


表2. 300例标本显微镜检查(金标准)与自动审核结果的比较(例数)

自动审核

显微镜检查

合计

+

-

+(76)

67

9

76

-(224)

8

216

224

合计

75

225

300


自动审核通过率、符合率及规则阳性率:通过对15320例临床标本的验证和统计分析,得出自动审核通过率为63.56%,自动审核通过与人工审核符合率为100%,各规则阳性率(见表1)。

自动审核前后检验中周转时间(TAT)变化:选取实施自动审核前后工作量相似的月份,统计比较所有急诊血细胞分析检验中周转时间(TAT)中位数和90分位数的变化(图2中百分数为下降百分比)。


图2. 自动审核前后检验中周转时间(TAT)变化


三、分析与讨论


人工智能(AI)由计算机科学衍生而来,尝试利用计算机模拟人脑做出智能反应,目前人工智能的研究涵盖机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等多个领域[6]。AI检验目前在检验标本处理、检验项目挖掘、检验细胞形态学、检验数据处理、辅助诊断模型和互联网医学检验等领域发展迅速。通过将人工审核转化为统一的计算机语言,可使检验报告的审核方式规范化、标准化。自动审核自开发应用以来,ISOl5189、美国病理学家协会(CAP)和临床实验室标准委员会(CLSI)的指导性文件[7-9]都相继颁布了相应的规范化文件,指导实验室根据患者人群设计、应用、验证和设立自动审核的规则。国内温冬梅等[10]建立的生化免疫自动审核系统,在极大提高工作效率的同时还可以对检验分析过程进行全程质量控制。魏坚、王剑飚等[11]2015年基于迈瑞CAL8000血液分析流水线建立外周血液分析自动审核规则。续薇等[12]专家团队于2018年经过多中心研究应用Sysmex XN系列全自动血液分析仪建立了血液分析自动审核规则。自动审核规则涉及白细胞、红细胞、血小板、Delta check及性状异常共43条,并进一步进行了血液分析自动审核的周期性验证及其应用适宜性评价[13]

1. 审核规则的设定:首先我们查阅大量有关自动审核的相关行业标准和文献,结合所使用的血细胞分析仪器的特点首先建立了本实验室《血细胞分析自动审核建立与验证标准操作规程》,其中包括自动审核流程图、血细胞分析自动审核规则。在自动审核规则的设定过程中,根据优先级不同分别设置了室内质控判断、标本质量判断、危急值判断、参数范围和报警信息判断、差值判断、一致性判断、逻辑关系判断、特殊患者8大类35条规则。由流程图1可以看到,设在前面的规则优先级最高,如室内质控规则、标本质量判断、危急值判断规则。建立自动审核快速暂停功能,任何系统或检测仪器故障,或其他任何原因导致检测结果的不准确,实验室人员必须能立即关闭自动审核。进行人员培训是保证标准操作规程落实的关键环节,也是提高审核质量的重要内容。通过自动审核规则建立和验证,使检验人员更加重视外周血细胞形态检验的临床意义,并因此发现了更多的首诊血液疾病患者,转送到血液科进行进一步治疗,防止了漏检。自动审核流程的建立不仅提高了工作效率,更重要的是提高血细胞检验审核报告单的质量,检验人员素质也有了很大进步。

本实验室使用的血液分析仪WNB通道通过不同试剂实现了嗜碱性粒细胞、有核红细胞的检测[14]。标配有核红细胞检测,自动对白细胞总数及分类进行修正。PLT的检测有PLT-I和PLT-O两种方法。PLT-I检测利用鞘流阻抗法对血小板进行计数。PLT-O检测利用RET通道通过荧光染料对PLT的核酸进行染色。对于触犯复检规则的血小板计数,仪器可以进行稀释加热搅拌功能对标本预处理,然后利用RET通道通过荧光染料对PLT的核酸进行染色,获得PLT-O的计数,对部分存在血小板聚集的标本有很大的帮助。我院新生儿科的标本检测量比较大,自动校正有核红细胞对白细胞计数的干扰对于新生儿科患者白细胞计数的准确性非常有利,也大大减少了针对新生儿标本显微镜检查的工作量。

关于镜检描述的内容,由于杜勒小体、中毒颗粒、空泡变常见于严重的感染,如肺炎、败血症和烧伤等疾病。红细胞形态学改变除了疟原虫阳性其他镜检阳性标准与仪器检测参数符合性达到100%[12],与临床医生沟通后,未将其作为常规描述内容。

2. 审核规则阳性率分析:我们对15320例标本进行验证和统计,自动审核通过率为63.56%,与国内研究报道血液分析自动审核通过率在65.3%~85.1%相一致[10, 15]。自动审核通过与人工审核符合率为100%。血细胞分析检验结果的审核目的首先要排除样本错误和标本质量异常对结果的干扰、血小板假性聚集、不漏诊血液病、对异型淋巴细胞比率异常升高的疾病进行临床提示,其中异型淋巴细胞比率的确定是我们关注的其中一个重点规则。我们医院急诊检验承担着儿科门诊患者和新生儿科住院患者的血细胞分析检测任务。根据标本来源的特点,我们将异型淋巴细胞、异常淋巴细胞/原始细胞的规则引入,审核标识为显微镜检查。此规则结合白细胞DIFF分类散点图为进一步确诊患者EB病毒/巨细胞病毒等病毒感染提供更多的形态学信息。由统计分析结果可以看出,自动审核规则中阳性率较高的规则有中性粒细胞计数、异型淋巴细胞、异常淋巴细胞/原始细胞、300<MCHC>380g/L。触犯中性粒细胞百分比规则最高达12.8%,我们认为这与急诊检验患者标本来源有关。异型淋巴细胞、异常淋巴细胞/原始细胞规则阳性率分别是7.4%和3.6%,与儿科患者检测量较大有关。300<MCHC>380g/L规则阳性率为2.8%,其中包含了较多贫血患者,而MCHC>380g/L的规则有助于对标本质量的把关,包括乳糜、凝集、溶血的标本的识别,因此下一步对此规则也需要进行验证和优化。

3. 不足之处:AUTO15对血液分析自动审核规则设计的检验前、中、后决策点考虑要素、算法验证及应用流程等内容进行了扩展细化,并强调了自动审核的周期性验证及优化调整的重要性,指出自动审核的实现不是一个一次性的过程,而应被视为实验室自动审核不断优化调整的过程,认为定期调整自动审核规则是自动审核维护的重要部分,应根据适用法规或实验室政策定期进行验证[16]。由指定人员对已通过自动审核的报告进行复核,复核结果应与自动审核结果一致。建议定期验证周期为1年[17]。朱晶,潘柏申[18]也指出在使用过程中多次调整审核规则以提高自动审核系统对于差错报告的识别率和审核效率。目前我室的自动审核规则通过率较低,有患者类型的原因。我们下一步将通过周期性验证,特别关注阳性率较高的规则进行优化调整,更好地服务于急诊检验。本实验室作为综合性三甲医院的急诊检验,承担着白班和夜班的检测任务,工作量大,报告时间要求高,血细胞分析报告要求30分钟内完成。怎样平衡好不漏检血液病又保证报告及时性问题,既要保证假阴性率<5%,又要适当降低假阳性率成为我们下一步的工作重点。同时,LabXpert专家系统的审核标识过于概括,如果能将审核不通过的具体原因进行提示则更有利于检验人员的审核。

人工智能在检验结果自动审核过程中发挥着重要作用,有效减少了检验工作人员因主观性导致的误差,提高了检验人员的工作效率,更好地满足了检验对质量的要求。在不久的将来,检验医学实验室的结果报告或许将从简单的结果报告转变为提供“检验结果+预警+建议”的注释模式,可有效提高实验室的工作效率和检验质量。随着工业4.0时代的到来,人工智能技术必将推动医学检验从自动化发展到更高阶的智能化阶段

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2022年8月:实验室自动化、数字化、智能化